WO2022219805A1 - 無停電電源装置 - Google Patents

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WO2022219805A1
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power
voltage
control circuit
power supply
terminal
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PCT/JP2021/015715
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亮五 今西
洋祐 林
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
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    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin

Definitions

  • the present disclosure relates to an uninterruptible power supply.
  • a modular uninterruptible power supply has a parallel circuit of power modules inside the apparatus by connecting a plurality of power conversion modules (hereinafter also referred to as "power modules") in parallel.
  • power modules power conversion modules
  • a hot-swap system means a structure in which a power module is stopped during operation of the uninterruptible power supply, and the power module can be pulled out and inserted. According to this, when the power module fails or is inspected, the power module can be replaced while the power supply from the uninterruptible power supply is continued.
  • each power module is equipped with multiple detectors to detect the voltage and current input and output of the power converter to control the power converter inside. . Therefore, the number of detectors increases in proportion to the number of power modules, and there is concern that the size and cost of the uninterruptible power supply will increase.
  • the present disclosure has been made to solve the above-described problems, and its object is to achieve size reduction and cost reduction in a modular uninterruptible power supply device comprising a plurality of power modules connected in parallel. In addition, it is to suppress variations in operation among a plurality of power modules.
  • An uninterruptible power supply includes a plurality of power conversion modules connected in parallel between an AC power supply and a load, and a bypass module connected between the AC power supply and the load.
  • a plurality of power conversion modules are connected in parallel to the power storage device.
  • Each power conversion module has a first terminal for receiving AC power from an AC power source, a second terminal connected to a power storage device, a third terminal for outputting AC power to a load, and a first terminal.
  • a converter that converts AC power received by a terminal into DC power
  • an inverter that converts the DC power from the converter or the power storage device into AC power and supplies the AC power to a load
  • a first control circuit that controls the converter and the inverter.
  • the bypass module includes a switch connected between an AC power supply and a load, a first voltage detector for detecting an AC voltage received by a first terminal, and a second voltage detector for detecting a DC voltage received by a second terminal. a voltage detector, a third voltage detector that detects the AC voltage output to the third terminal, and a second control circuit that controls on/off of the switch.
  • the second control circuit is communicatively connected to the first control circuit and transmits detection results of the first to third voltage detectors to the first control circuit.
  • the first control circuit controls the converter and the inverter using detection results of the first to third voltage detectors transmitted from the second control circuit.
  • a modular uninterruptible power supply including a plurality of power modules connected in parallel
  • miniaturization and cost reduction can be achieved, and variations in operation between the plurality of power modules can be suppressed.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing the configuration of an uninterruptible power supply according to an embodiment
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing configurations of a bypass module and a power module shown in FIG. 1
  • FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing the functional configuration of control circuits for a bypass module and a power module
  • 4 is a functional block diagram of a control unit shown in FIG. 3;
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing the configuration of an uninterruptible power supply according to an embodiment
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing configurations of a bypass module and a power module shown in FIG. 1
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the functional configuration of control circuits for a bypass module and a power module
  • 4 is a functional block diagram of a control unit shown in FIG. 3
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing the configuration of an uninterruptible power supply according to an embodiment.
  • an uninterruptible power supply 100 includes a bypass module B0, a plurality of power modules P1 to Pn (where n is an integer equal to or greater than 2), a battery 32, and a communication line 15.
  • n is an integer equal to or greater than 2
  • Bypass module B 0 and power modules P 1 -Pn are connected to each other by communication line 15 .
  • the bypass module B0 has an input terminal T11, a battery terminal T12, an output terminal T13, and a switch (not shown) connected between the input terminal T11 and the output terminal T13.
  • Each of the power modules P1-Pn is a power conversion module having a converter and an inverter.
  • the power modules P1 to Pn may be collectively referred to as "power module P".
  • the power module P has an input terminal T1, a battery terminal T2, and an output terminal T3.
  • the input terminal T1 corresponds to the "first terminal”
  • the battery terminal T2 corresponds to the "second terminal”
  • the output terminal T3 corresponds to the "third terminal”.
  • the input terminal T11 of the bypass module B0 and the input terminal T1 of each power module P are both connected to the commercial AC power supply 30.
  • the input terminal T11 and each input terminal T1 receive a commercial frequency AC voltage VI supplied from a commercial AC power supply 30 .
  • the battery terminal T12 of the bypass module B0 and the battery terminal T2 of each power module P are both connected to the battery 32.
  • a battery 32 stores DC power.
  • Battery 32 corresponds to one embodiment of a "power storage device.”
  • a capacitor may be connected instead of the battery 32 .
  • bypass module B0 and the output terminal T3 of each power module P are both connected to the load 31. That is, bypass module B 0 and power modules P 1 to Pn are connected in parallel between commercial AC power supply 30 and load 31 .
  • the load 31 is driven by AC power supplied from the bypass module B0 or the power module P.
  • Such an uninterruptible power supply is called a "module type uninterruptible power supply”.
  • a module-type uninterruptible power supply internally builds a parallel circuit of power modules corresponding to the capacity of the uninterruptible power supply.
  • N power modules are required for power supply by an uninterruptible power supply
  • power supply quality can be improved by implementing (N+1) power modules for redundancy.
  • Such a method of achieving redundancy in units of modules in a single uninterruptible power supply is also called a “hot swap method”.
  • a hot-swap system means a structure in which a power module is stopped during operation of the uninterruptible power supply, and the power module can be pulled out and inserted. According to this, it is possible to replace the power module P while continuing to supply power from the uninterruptible power supply when the power module fails or is inspected.
  • the uninterruptible power supply 100 has an inverter power supply mode and a bypass power supply mode.
  • the inverter power supply mode is a mode in which AC power is supplied from the power module P to the load 31 .
  • the inverter power supply mode the AC power supplied from the commercial AC power supply 30 is converted into DC power by the converter of the power module P, and the DC power is converted into AC power by the inverter and supplied to the load 31 .
  • the bypass power supply mode is a mode in which AC power is supplied from the commercial AC power supply 30 to the load 31 via the bypass module B0. In the bypass power supply mode, AC power supplied from the commercial AC power supply 30 is supplied to the load 31 without passing through the power module P.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram showing configurations of the bypass module B0 and the power module P shown in FIG.
  • the uninterruptible power supply 100 converts the three-phase AC power from the commercial AC power supply 30 into DC power, converts the DC power into the three-phase AC power, and supplies the load 31 with the three-phase AC power.
  • FIG. 2 only a portion of the circuit corresponding to one of the three phases (U phase, V phase, W phase) is shown for simplification of the drawing and explanation.
  • the bypass module B0 has a switch 20, voltage detectors 22, 24 and 26, and a control circuit 28.
  • the switch 20 is connected between the input terminal T11 and the output terminal T13.
  • the switch 20 is, for example, a thyristor switch having a pair of thyristors connected in anti-parallel.
  • Switch 20 is controlled by control circuit 28 .
  • the switch 20 is turned off during the inverter power supply mode and turned on during the bypass power supply mode.
  • the control circuit 28 corresponds to one embodiment of the "second control circuit".
  • Voltage detector 22 detects an instantaneous value of AC voltage (AC voltage applied to input terminal T11) of commercial frequency supplied from commercial AC power supply 30, and provides control circuit 28 with a signal indicating the detected value. .
  • the voltage detector 24 detects the inter-terminal voltage (hereinafter also referred to as "battery voltage”) VB of the battery 32 applied to the battery terminal T12, and provides the control circuit 28 with a signal indicating the detected value.
  • battery voltage the inter-terminal voltage
  • the voltage detector 26 detects the instantaneous value of the AC voltage VO applied to the output terminal T13 and provides the control circuit 28 with a signal indicating the detected value.
  • the control circuit 28 receives signals indicating detected values of the AC voltage VI, the battery voltage VB and the AC voltage VO from the voltage detectors 22, 24 and 26, respectively.
  • the control circuit 28 is connected to the control circuit 14 included in the power modules P1 to Pn by a communication line 15.
  • FIG. The control circuit 28 exchanges information with the control circuits 14 of the power modules P1-Pn via the communication line 15.
  • FIG. Communication between the control circuit 28 and the control circuit 14 may be realized by either wireless communication or wired communication.
  • Control circuit 28 transmits signals indicating detected values of AC voltage VI, battery voltage VB, and AC voltage VO to control circuit 14 included in power modules P1-Pn via communication line 15.
  • the control circuit 28 can be composed of, for example, a microcomputer.
  • the control circuit 28 incorporates a memory and a CPU (Central Processing Unit) (not shown), and can execute the control operation described later by software processing in which the CPU executes a program stored in advance in the memory.
  • a CPU Central Processing Unit
  • part or all of the control operation can be realized by hardware processing using a built-in dedicated electronic circuit instead of software processing.
  • the power module P includes switches S1 to S3, capacitors 1, 5 and 10, reactors 2 and 9, a DC line 6, a converter 4, a bidirectional chopper 7 and an inverter 8. , current detectors 12 and 13 and a control circuit 14 .
  • the input terminal T1 receives a commercial-frequency AC voltage VI from a commercial AC power supply 30 .
  • Switch S1 has a first terminal connected to input terminal T1 and a second terminal connected to an input node of converter 4 via reactor 2 .
  • Capacitor 1 is connected to the second terminal of switch S1. The switch S1 is turned on when the corresponding power module P is used, and turned off during maintenance of the power module P, for example.
  • the capacitor 1 and the reactor 2 constitute an AC filter 3.
  • the AC filter 3 is a low-pass filter that allows a commercial-frequency AC current to flow from the commercial AC power supply 30 to the converter 4 and prevents a switching-frequency signal generated in the converter 4 from flowing to the commercial AC power supply 30 side.
  • the current detector 12 detects the current I1 flowing into the power module P from the commercial AC power supply 30 via the input terminal T1, and provides the control circuit 14 with a signal ⁇ I1 indicating the detected value.
  • Current detector 12 corresponds to an embodiment of "first current detector”.
  • the control circuit 14 corresponds to one embodiment of the "first control circuit”.
  • the converter 4 is controlled by the control circuit 14, and when AC power is normally supplied from the commercial AC power supply 30 (when the commercial AC power supply 30 is healthy), the AC power supplied from the commercial AC power supply 30 is converted to DC power. It converts into electric power and outputs it to the DC line 6 .
  • the supply of AC power from commercial AC power supply 30 is stopped (at the time of power failure of commercial AC power supply 30), operation of converter 4 is stopped.
  • the DC line 6 is connected to the converter 4, the bidirectional chopper 7 and the inverter 8.
  • a DC voltage VD appearing on DC line 6 is detected by control circuit 14 .
  • Control circuit 14 controls converter 4 so that DC voltage VD output from converter 4 becomes reference DC voltage VDr when commercial AC power supply 30 is healthy.
  • the capacitor 5 is connected to the DC line 6 and smoothes and stabilizes the DC voltage VD of the DC line 6 .
  • a resistive element is connected in parallel with the capacitor 5 .
  • the resistance element is provided to reduce the DC voltage VD and protect the user of the uninterruptible power supply 100 when the power module P fails.
  • the resistance value of the resistance element is set to a value that allows the terminal voltage VD of the capacitor 5 to drop to 0 V in a short period of time when the operation of the converter 4 is stopped.
  • a high voltage side node of the bidirectional chopper 7 is connected to the DC line 6, and a low voltage side node thereof is connected to the battery terminal T2 via the switch S2.
  • Bidirectional chopper 7 is controlled by control circuit 14 .
  • Bidirectional chopper 7 stores the DC power generated by converter 4 in battery 32 when commercial AC power supply 30 is healthy.
  • the bidirectional chopper 7 supplies the DC power of the battery 32 to the inverter 8 when the commercial AC power supply 30 fails.
  • the switch S2 is turned on when the power module P is used, and turned off during maintenance of the battery 32, for example.
  • the control circuit 14 receives a signal indicating the detected value of the battery voltage VB from the control circuit 28 via the communication line 15 .
  • Control circuit 14 controls bidirectional chopper 7 so that battery voltage VB becomes reference battery voltage VBr when commercial AC power supply 30 is healthy.
  • the control circuit 14 controls the bidirectional chopper 7 so that the DC voltage VD of the DC line 6 becomes the reference DC voltage VDr when the commercial AC power supply 30 fails.
  • the inverter 8 is controlled by the control circuit 14 and converts the DC power generated by the converter 4 into AC power of commercial frequency when the commercial AC power supply 30 is healthy. Inverter 8 converts the DC power supplied from battery 32 via bidirectional chopper 7 into AC power of commercial frequency when commercial AC power supply 30 fails.
  • a first terminal of the reactor 9 is connected to the output node of the inverter 8, and a second terminal is connected to the output terminal T3 via the switch S3.
  • Capacitor 10 is connected to a second terminal of reactor 9 .
  • Capacitor 10 and reactor 9 constitute AC filter 11 .
  • the AC filter 11 is a low-pass filter that allows a commercial frequency AC current to flow from the inverter 8 to the load 31 side and prevents the switching frequency signal generated by the inverter 8 from passing to the load 31 side. In other words, the AC filter 11 converts the rectangular wave voltage output from the inverter 8 into a sine wave voltage.
  • the current detector 13 detects the current (output current of the inverter 8) I2 flowing from the power module P to the load 31, and provides the control circuit 14 with a signal ⁇ I2 indicating the detected value.
  • Current detector 13 corresponds to an embodiment of the "second current detector”.
  • the switch S3 is controlled by the control circuit 14.
  • the control circuit 14 turns on the switch S3 when the corresponding power module P is to be in the operating state, and turns off the switch S3 when the corresponding power module P is to be in the stopped state.
  • the control circuit 14 can be composed of, for example, a microcomputer.
  • the control circuit 14 incorporates a memory and a CPU (not shown), and can execute control operations described later by software processing in which the CPU executes a program stored in advance in the memory.
  • part or all of the control operation can be realized by hardware processing using a built-in dedicated electronic circuit instead of software processing.
  • the control circuit 14 is connected to the control circuit 14 of each other power module P and the control circuit 28 of the bypass module B0 by a communication line 15, and controls the control circuit 14 of each other power module P and the bypass module B0. It exchanges information with the circuit 28 .
  • a plurality of control circuits 14 and a control circuit 28 included in the plurality of power modules P1 to Pn constitute one control device that controls the uninterruptible power supply 100.
  • control circuit 14 receives signals indicating detected values of the AC voltage VI, the battery voltage VB, and the AC voltage VO from the control circuit 28 via the communication line 15 .
  • Control circuit 14 controls the corresponding power module P based on these received signals, output signals ⁇ I1 and ⁇ I2 of current detectors 12 and 13, the detected value of DC voltage VD, and the like.
  • control circuit 14 determines whether the commercial AC power supply 30 is sound or whether a power failure of the commercial AC power supply 30 has occurred based on the signal indicating the detected value of the AC voltage VI.
  • control circuit 14 controls converter 4 and inverter 8 in synchronization with AC voltage VI based on signals indicating the detected values of AC voltages VI and VO and the detected value of DC voltage VD.
  • Control circuit 14 also controls bidirectional chopper 7 based on a signal indicating the detected value of battery voltage VB.
  • control circuit 14 controls inverter 8 and both sides based on a signal indicating the detected value of AC voltage VO, a signal indicating the detected value of battery voltage VB, and a detected value of DC voltage VD. It controls the directional chopper 7.
  • the AC voltage VI supplied to the input terminal T1 of each power module P, the battery voltage VB supplied to the battery terminal T2, and the output terminal T3 are detected by voltage detectors 22, 24 and 26 respectively installed in the bypass module B0.
  • Control circuit 28 of bypass module B0 transmits signals indicating detected values of AC voltages VI, VO and battery voltage VB to control circuit 14 of each power module P via communication line 15 .
  • the control circuit 14 of each power module P controls its own device based on the received signal.
  • the voltage detectors 22, 24, 26 are shared among the plurality of power modules P1-Pn. By doing so, the number of voltage detectors installed for each power module P can be reduced, so that the size and cost of the power module P can be reduced. As a result, downsizing and cost reduction of the uninterruptible power supply 100 can be realized.
  • the voltage detector for detecting the DC voltage VD appearing in the DC line 6 of each power module P is not shared among the plurality of power modules P1 to Pn, but installed for each power module P. . This is to realize hot swapping that enables replacement of the power module P while power supply from the uninterruptible power supply 100 is continued.
  • the operation of the power module P is stopped while other power modules P are kept in operation.
  • the power module P reduces the DC voltage VD to 0V by stopping the operation of the converter 4 . Therefore, the DC voltage VD in the power module P has a different value from the DC voltage VD in other power modules P in the operating state.
  • a voltage detector for detecting the DC voltage VD is not shared among the plurality of power modules P1 to Pn.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing functional configurations of control circuit 28 and control circuit 14.
  • the control circuit 28 has a control section 50 and a communication section 52 .
  • the communication unit 52 is connected to the control circuit 14 of the power modules P1-Pn via the communication line 15.
  • the control unit 50 transmits signals indicating detection values of the voltage detectors 22, 24, and 26 to the control circuits 14 of the power modules P1 to Pn via the communication unit 52.
  • the control unit 50 receives, via the communication unit 52, from the control circuit 14 of each of the power modules P1 to Pn a failure detection signal indicating a failure of the own device and at least the power modules P required to supply power to the load 31.
  • a signal indicating the lower limit number of operating vehicles Nmin is received.
  • the control unit 50 turns off the switch 20 in the inverter power supply mode and turns on the switch 20 in the bypass power supply mode.
  • the user of the uninterruptible power supply 100 can select either the bypass power supply mode or the inverter power supply mode by operating an operation unit (not shown).
  • control unit 50 turns on the switch 20. and supplies the AC power from the commercial AC power supply 30 to the load 31 .
  • the control circuit 14 has a calculation unit 40 , a determination unit 41 , a storage unit 42 , a detection unit 43 , a communication unit 44 and a control unit 45 .
  • the calculation unit 40 transmits the output signal ⁇ I2 of the current detector 13 of its own device to the control circuits 14 of (n ⁇ 1) other devices via the communication unit 44 and the communication line 15 .
  • the calculation unit 40 receives the output signal ⁇ I2 of the current detectors 13 of the (n ⁇ 1) other devices via the communication unit 44 . Based on the output signals ⁇ I 2 of the n current detectors 13 , the calculation unit 40 obtains the current number N of operating power modules P, and provides the obtained number N of operating power modules to the determination unit 41 .
  • the calculation unit 40 calculates the total value of the output currents of the inverters 8 of the n power modules P1 to Pn, that is, the output current from the power modules P1 to Pn to the load 31. Find the load current IL supplied to .
  • the calculation unit 40 obtains the minimum operating number Nmin of the power modules P required at least to supply the load current IL.
  • the calculating unit 40 obtains the appropriate operating number Ns by adding the redundant operating number Nr (for example, one) to the calculated lower limit operating number Nmin.
  • the calculating unit 40 gives the obtained appropriate operating number Ns to the determining unit 41 .
  • the storage unit 42 stores the order of priority with which the power modules P1 to Pn are put into operation.
  • the priority is set, for example, in numerical order of the power modules P. As shown in FIG.
  • the priority can be written in the storage unit 42 by the user of the uninterruptible power supply 100 operating the operation unit.
  • the detection unit 43 detects whether or not there is a failure in its own device, and outputs a failure detection signal when its own device fails.
  • the determination unit 41 Based on the current operating number N and the appropriate operating number Ns obtained by the calculation unit 40, the failure detection signal from the detection unit 43, and the priority order of operation stored in the storage unit 42, the determination unit 41 It discriminates whether the self-device is to be in an operating state or in a stopped state, and gives a signal indicating the determination result to the control unit 45 . The determination unit 41 also transmits a signal indicating the determination result and a failure detection signal to the control circuit 14 of the other device and the control circuit 28 of the bypass module B0 via the communication unit 44 .
  • the determination unit 41 determines that the device should be stopped when a failure detection signal is output from the detection unit 43 of the device itself. Further, when the current operating number N is greater than the appropriate operating number Ns, the determination unit 41 determines that the operating number N should be decreased. In this case, the determining unit 41 determines whether to bring the device into a stopped state or an operating state based on the priority of the device itself. On the other hand, when the current operating number N is smaller than the appropriate operating number Ns, the determining unit 41 determines that the operating number N should be increased. In this case, the determining unit 41 determines whether the own device should be in the operating state or in the stopped state based on the priority of the own device.
  • the communication unit 44 provides the control unit 45 with signals indicating the detected values of the AC voltages VI and VO and the battery voltage VB received from the control circuit 28 of the bypass module B0.
  • the voltage detector 16 detects the DC voltage VD of the DC line 6 and gives the controller 45 a signal indicating the detected value.
  • Voltage detector 16 corresponds to an embodiment of a "fourth voltage detector.”
  • the control unit 45 stops the operation of the converter 4, the inverter 8 and the bidirectional chopper 7 of the device and turns off the switch S3.
  • control unit 45 operates the converter 4, the inverter 8, and the bidirectional chopper 7 of the device itself, and turns on the switch S3. At this time, control unit 45 outputs from converter 4 based on the signal indicating the detected value of AC voltage VI supplied from communication unit 44, the output signal of voltage detector 16, and the output signal ⁇ I1 of current detector 12. The converter 4 is controlled so that the DC voltage VD becomes the reference DC voltage VDr. In addition, control unit 45 synchronizes with AC voltage VI from commercial AC power supply 30 based on signals indicating the detected values of AC voltages VI and VO supplied from communication unit 45 and output signal ⁇ I2 of current detector 13.
  • control unit 45 controls bidirectional chopper 7 based on a signal indicating the detected value of battery voltage VB provided from communication unit 44 so that battery voltage VB becomes reference battery voltage VBr.
  • control unit 45 determines whether the AC voltage VI is normally supplied from the commercial AC power supply 30 based on the signal indicating the detected value of the AC voltage VI given from the communication unit 44 . When AC voltage VI is smaller than the lower limit value, control unit 45 determines that AC voltage VI is not being supplied normally and that a power failure has occurred, and stops operation of converter 4 . Furthermore, control unit 45 determines whether or not the DC power of battery 32 has decreased below the lower limit based on the signal indicating the detected value of battery voltage VB given from communication unit 44 . When it is determined that the DC power of the battery 32 has decreased below the lower limit value, the controller 45 stops the operation of the inverter 8 and turns off the switch S3.
  • the control circuit of the bypass module B0 determines whether or not the AC voltage VI is normally supplied from the commercial AC power supply 30 and determines whether or not the DC power of the battery 32 has decreased below the lower limit value. 28 may execute based on the output signal of the voltage detector 22 and transmit a signal indicating the determination result to the control circuit 14 of each power module P via the communication line 15 .
  • FIG. 4 is a functional block diagram of the controller 45 shown in FIG. As shown in FIG. 4 , control unit 45 has a converter control unit for controlling converter 4 and an inverter control unit for controlling inverter 8 .
  • the converter control section includes subtractors 60 and 64, a voltage control section 62, a current control section 66, an adder 68, and a PWM circuit .
  • the subtractor 60 calculates a deviation ⁇ VD between the reference DC voltage VDr and the DC voltage VD detected by the voltage detector 16 .
  • Voltage control unit 62 calculates current command value I1* for controlling current I1 flowing into converter 4 so that deviation ⁇ VD becomes zero.
  • the voltage control unit 62 calculates the current command value I1*, for example, by performing proportional calculation or proportional integral calculation on the deviation ⁇ VD.
  • the subtractor 64 calculates the deviation ⁇ I1 between the current command value I1* and the value of the current I1 detected by the current detector 12.
  • Current control unit 66 calculates voltage command value VI# as the voltage to be applied to reactor 2 so that deviation ⁇ I1 becomes zero.
  • Current control unit 66 calculates voltage command value VI#, for example, by performing proportional calculation or proportional integral calculation on deviation ⁇ I1.
  • Adder 68 adds voltage command value VI# and the detected value of AC voltage VI supplied from communication unit 44 to generate voltage command value VI*.
  • PWM circuit 70 outputs a signal for making the detected value of AC voltage VI supplied from communication unit 44 equal to voltage command value VI* based on voltage command value VI*. This signal is a signal for driving a semiconductor switching element included in converter 4 .
  • the inverter control section includes subtractors 72 and 76, a voltage control section 74, a current control section 78, and a PWM circuit 80.
  • Subtractor 72 calculates a deviation ⁇ VO between the detected value of AC voltage VI given from communication unit 44 and the detected value of AC voltage VO given from communication unit 44 .
  • Voltage control unit 74 calculates a current command value I2# for controlling output current I2 of inverter 8 such that deviation ⁇ VO becomes zero.
  • Voltage control unit 74 generates current command value I2* based on current command value I2# and shared current ID of its own device.
  • the subtractor 76 calculates the deviation ⁇ I2 between the current command value I2* and the value of the current I2 detected by the current detector 13.
  • the current control unit 78 calculates the voltage command value VO* as the voltage that the inverter 8 should output so that the deviation ⁇ I2 becomes zero.
  • the current control unit 78 calculates the voltage command value VO*, for example, by proportional calculation or proportional integral calculation of the deviation ⁇ I2.
  • the PWM circuit 80 Based on the voltage command value VO*, the PWM circuit 80 outputs a signal for making the detected value of the AC voltage VO given from the communication unit 44 equal to the voltage command value VO*.
  • This signal is a signal for driving a semiconductor switching element included in inverter 8 .
  • the uninterruptible power supply 100 is a modular uninterruptible power supply, and includes a plurality of power modules P1 to Pn and bypass module B0.
  • the bypass module B0 is a voltage detector for detecting the AC voltage VI applied to the input terminal T1 of each power module P, the battery voltage VB applied to the battery terminal T2, and the AC voltage VO output to the output terminal T3. It has vessels 22 , 24 , 26 .
  • the control circuit 28 of the bypass module B0 transmits signals indicating detection values of the voltage detectors 22, 24 and 26 to the control circuit 14 of each power module P via the communication line 15.
  • Voltage detectors 22, 24, and 26 for detecting voltages necessary for controlling the converter 4, inverter 8, and bidirectional chopper 7 included in each power module P are installed in the bypass module B0. Since the voltage detectors 22, 24, and 26 are shared among the power modules P1 to Pn, the number of voltage detectors installed in each power module P can be reduced. Size and cost can be reduced. Therefore, downsizing and cost reduction of the uninterruptible power supply 100 can be realized.
  • the control circuit 14 of each power module P controls the converter 4, the bidirectional chopper 7 and the inverter 8 using a common voltage detection value among the plurality of power modules P1 to Pn. , variation in operation among the plurality of power modules P1 to Pn can be suppressed. For example, it is possible to suppress the occurrence of a cross current between the output terminals T3 of the power modules P1 to Pn due to variations in the output voltage VO of the inverters 8 of the power modules P.
  • the voltage detector 16 for detecting the DC voltage VD appearing in the DC line 6 of each power module P is installed for each power module P, not shared among the plurality of power modules P1 to Pn. be. Therefore, it is possible to realize hot swapping that enables replacement of the power module P while power supply from the uninterruptible power supply 100 is continued.

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Abstract

無停電電源装置は、交流電源（３０）と負荷（３１）との間に並列接続される複数の電力変換モジュール（Ｐ）およびバイパスモジュール（Ｂ０）を備える。各電力変換モジュール（Ｐ）は、交流電源（３０）から交流電力を受ける第１の端子（Ｔ１）と、電力貯蔵装置（３２）に接続される第２の端子（Ｔ２）と、負荷（３１）に交流電力を出力するための第３の端子（Ｔ３）と、コンバータと、インバータと、第１の制御回路（１４）とを含む。バイパスモジュール（Ｂ０）は、交流電源（３０）と負荷（３１）との間に接続されるスイッチ（２０）と、第１の端子（Ｔ１）に印加される交流電圧を検出する第１の電圧検出器（２２）と、第２の端子（Ｔ２）に印加される直流電圧を検出する第２の電圧検出器（２４）と、第３の端子（Ｔ３）に印加される交流電圧を検出する第３の電圧検出器（２６）と、第２の制御回路（２８）とを含む。第２の制御回路（２８）は、第１の制御回路（１４）と通信接続されており、第１から第３の電圧検出器（２２，２４，２６）の検出結果を第１の制御回路（１４）に送信する。第１の制御回路（１４）は、第２の制御回路（２８）から送信される第１から第３の電圧検出器（２２，２４，２６）の検出結果を用いて、コンバータおよびインバータを制御する。

Description

無停電電源装置
　本開示は、無停電電源装置に関する。
　大容量の無停電電源システムでは、複数の無停電電源装置を並列に接続することによって冗長化を図ることにより、何れかの無停電電源装置の故障や点検時においても残りの無停電電源装置によって負荷への電力供給を継続することができる（例えば、特開２０２０－１９５１７４号公報（特許文献１）参照）。
　一方、中小容量の無停電電源システムは、単一の無停電電源装置により構成される場合が多い。そのため、この単一の無停電電源装置に、モジュール単位で冗長化を図るモジュール型無停電電源装置を採用する構成が提案されている。モジュール型無停電電源装置は、複数の電力変換モジュール（以下、「パワーモジュール」とも称する）を並列接続することにより、装置内部にパワーモジュールの並列回路を有している。無停電電源装置による電源供給にＮ台のパワーモジュールが必要な場合には、（Ｎ＋１）台のパワーモジュールを実装して冗長化を図ることにより、電源品質を向上させることができる。
特開２０２０－１９５１７４号公報
　上述したモジュール型無停電電源装置は、ホットスワップ方式を採用している。ホットスワップ方式とは、無停電電源装置の運用中にパワーモジュールを停止し、当該パワーモジュールを引出および挿入可能な構造を意味する。これによると、パワーモジュールの故障や点検時に無停電電源装置による給電を継続した状態でパワーモジュールを交換することができる。
　ホットスワップを実現するために、各パワーモジュールには、内蔵する電力変換器を制御するために、電力変換器に入出力される電圧および電流を検出するために複数の検出器が搭載されている。そのため、パワーモジュールの個数に比例して検出器の個数が増えてしまい、無停電電源装置の体格およびコストが増大することが懸念される。
　また、パワーモジュールごとに検出器の検出値を用いて電力変換器の動作を制御するため、検出器の検出誤差などの要因により、複数のパワーモジュールの間で電力変換器の動作ばらつきが生じることが懸念される。この場合、複数のパワーモジュール間で電力が流れ込む現象（すなわち、横流）が発生する可能性がある。
　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、並列接続された複数のパワーモジュールを備えるモジュール型無停電電源装置において、小型化および低コスト化を実現するとともに、複数のパワーモジュール間の動作ばらつきを抑制することである。
　本開示の一態様に係る無停電電源装置は、交流電源と負荷との間に並列接続される複数の電力変換モジュールと、交流電源と前記負荷との間に接続されるバイパスモジュールとを備える。複数の電力変換モジュールは、電力貯蔵装置に対して並列接続される。各電力変換モジュールは、交流電源から交流電力を受ける第１の端子と、電力貯蔵装置に接続される第２の端子と、負荷に交流電力を出力するための第３の端子と、第１の端子が受ける交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータまたは電力貯蔵装置からの直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータと、コンバータおよびインバータを制御する第１の制御回路とを含む。バイパスモジュールは、交流電源と負荷との間に接続されるスイッチと、第１の端子が受ける交流電圧を検出する第１の電圧検出器と、第２の端子が受ける直流電圧を検出する第２の電圧検出器と、第３の端子に出力される交流電圧を検出する第３の電圧検出器と、スイッチのオンオフを制御する第２の制御回路とを含む。第２の制御回路は、第１の制御回路と通信接続されており、第１から第３の電圧検出器の検出結果を第１の制御回路に送信する。第１の制御回路は、第２の制御回路から送信される第１から第３の電圧検出器の検出結果を用いて、コンバータおよびインバータを制御する。
　本開示によれば、並列接続された複数のパワーモジュールを備えるモジュール型無停電電源装置において、小型化および低コスト化を実現するとともに、複数のパワーモジュール間の動作ばらつきを抑制することができる。
実施の形態に係る無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示したバイパスモジュールおよびパワーモジュールの構成を示す回路ブロック図である。 バイパスモジュールおよびパワーモジュールの制御回路の機能構成を概略的に示す図である。 図３に示した制御部の機能ブロック図である。
　以下に、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
　図１は、実施の形態に係る無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。
　図１を参照して、本実施の形態に係る無停電電源装置１００は、バイパスモジュールＢ０と、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎ（ｎは２以上の整数）と、バッテリ３２と、通信線１５とを備える。バイパスモジュールＢ０およびパワーモジュールＰ１～Ｐｎは、通信線１５によって互いに接続されている。
　バイパスモジュールＢ０は、入力端子Ｔ１１と、バッテリ端子Ｔ１２と、出力端子Ｔ１３と、入力端子Ｔ１１および出力端子Ｔ１３の間に接続されるスイッチ（図示せず）とを有する。
　パワーモジュールＰ１～Ｐｎの各々は、コンバータおよびインバータを有する電力変換モジュールである。以下の説明では、パワーモジュールＰ１～Ｐｎを包括的に「パワーモジュールＰ」と称する場合がある。パワーモジュールＰは、入力端子Ｔ１と、バッテリ端子Ｔ２と、出力端子Ｔ３とを有する。入力端子Ｔ１は「第１の端子」に対応し、バッテリ端子Ｔ２は「第２の端子」に対応し、出力端子Ｔ３は「第３の端子」に対応する。
　バイパスモジュールＢ０の入力端子Ｔ１１および各パワーモジュールＰの入力端子Ｔ１はともに商用交流電源３０に接続される。入力端子Ｔ１１および各入力端子Ｔ１は、商用交流電源３０から供給される商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。
　バイパスモジュールＢ０のバッテリ端子Ｔ１２および各パワーモジュールＰのバッテリ端子Ｔ２はともにバッテリ３２に接続される。バッテリ３２が直流電力を蓄える。バッテリ３２は「電力貯蔵装置」の一実施例に対応する。バッテリ３２の代わりにコンデンサが接続されていてもよい。
　バイパスモジュールＢ０の出力端子Ｔ１３および各パワーモジュールＰの出力端子Ｔ３はともに負荷３１に接続される。すなわち、バイパスモジュールＢ０およびパワーモジュールＰ１～Ｐｎは、商用交流電源３０と負荷３１との間に互いに並列に接続されている。負荷３１は、バイパスモジュールＢ０またはパワーモジュールＰから供給される交流電力によって駆動される。
　このような無停電電源装置は、「モジュール型無停電電源装置」と称される。モジュール型無停電電源装置は、無停電電源装置の容量に応じた台数のパワーモジュールの並列回路を内部に構築している。無停電電源装置による電源供給にＮ台のパワーモジュールが必要な場合、（Ｎ＋１）台のパワーモジュールを実装し、冗長化を図ることにより、電源品質を向上させることができる。このように単一の無停電電源装置においてモジュール単位で冗長化を図る方式は、「ホットスワップ方式」とも称される。ホットスワップ方式とは、無停電電源装置の運用中にパワーモジュールを停止し、当該パワーモジュールを引出および挿入可能な構造を意味する。これによると、パワーモジュールの故障や点検時に無停電電源装置による給電を継続した状態でパワーモジュールＰを交換することができる。
　無停電電源装置１００は、インバータ給電モードと、バイパス給電モードとを有する。インバータ給電モードは、パワーモジュールＰから負荷３１に交流電力が供給されるモードである。インバータ給電モードでは、商用交流電源３０から供給される交流電力がパワーモジュールＰのコンバータによって直流電力に変換され、その直流電力がインバータによって交流電力に変換されて負荷３１に供給される。バイパス給電モードは、商用交流電源３０からバイパスモジュールＢ０を介して負荷３１に交流電力が供給されるモードである。バイパス給電モードでは、商用交流電源３０から供給される交流電力が、パワーモジュールＰを通さずに負荷３１に供給される。
　図２は、図１に示したバイパスモジュールＢ０およびパワーモジュールＰの構成を示す回路ブロック図である。無停電電源装置１００は、商用交流電源３０からの三相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を三相交流電力に変換して負荷３１に供給する。図２では、図面および説明の簡単化のため、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のうちの一相に対応する部分の回路のみが示されている。
　図２に示すように、バイパスモジュールＢ０は、スイッチ２０と、電圧検出器２２，２４，２６と、制御回路２８とを有する。スイッチ２０は、入力端子Ｔ１１と出力端子Ｔ１３との間に接続される。スイッチ２０は、例えば、逆並列に接続された一対のサイリスタを有するサイリスタスイッチである。スイッチ２０は、制御回路２８によって制御される。スイッチ２０は、インバータ給電モード時にオフされ、バイパス給電モード時にオンされる。制御回路２８は「第２の制御回路」の一実施例に対応する。
　電圧検出器２２は、商用交流電源３０から供給される商用周波数の交流電圧（入力端子Ｔ１１に印加される交流電圧）ＶＩの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御回路２８に与える。
　電圧検出器２４は、バッテリ端子Ｔ１２に印加されるバッテリ３２の端子間電圧（以下、「バッテリ電圧」とも称する）ＶＢを検出し、その検出値を示す信号を制御回路２８に与える。
　電圧検出器２６は、出力端子Ｔ１３に印加される交流電圧ＶＯの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御回路２８に与える。
　制御回路２８は、電圧検出器２２，２４，２６から交流電圧ＶＩ、バッテリ電圧ＶＢおよび交流電圧ＶＯの検出値を示す信号をそれぞれ受ける。制御回路２８は、パワーモジュールＰ１～Ｐｎに含まれる制御回路１４と通信線１５によって互いに接続されている。制御回路２８は、通信線１５を介してパワーモジュールＰ１～Ｐｎの制御回路１４と情報の授受を行う。なお、制御回路２８および制御回路１４の間の通信は、無線通信および有線通信のいずれで実現されてもよい。制御回路２８は、交流電圧ＶＩ、バッテリ電圧ＶＢおよび交流電圧ＶＯの検出値を示す信号を、通信線１５を経由してパワーモジュールＰ１～Ｐｎに含まれる制御回路１４に送信する。
　制御回路２８は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することが可能である。一例として、制御回路２８は、図示しないメモリおよびＣＰＵ（Central　Processing　Unit）を内蔵し、予めメモリに格納されたプログラムをＣＰＵが実行するソフトウェア処理によって、後述する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。
　パワーモジュールＰは、入力端子Ｔ１、バッテリ端子Ｔ２および出力端子Ｔ３に加え、スイッチＳ１～Ｓ３、コンデンサ１，５，１０、リアクトル２，９、直流ライン６、コンバータ４、双方向チョッパ７、インバータ８、電流検出器１２，１３、および制御回路１４を有する。
　入力端子Ｔ１は、商用交流電源３０から商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。スイッチＳ１の第１端子は入力端子Ｔ１に接続され、第２端子はリアクトル２を介してコンバータ４の入力ノードに接続される。コンデンサ１は、スイッチＳ１の第２端子に接続される。スイッチＳ１は、対応するパワーモジュールＰの使用時にオンされ、例えばパワーモジュールＰのメンテナンス時にオフされる。
　コンデンサ１およびリアクトル２は、交流フィルタ３を構成する。交流フィルタ３は、低域通過フィルタであり、商用交流電源３０からコンバータ４に商用周波数の交流電流を流し、コンバータ４で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源３０側に流れることを防止する。
　電流検出器１２は、商用交流電源３０から入力端子Ｔ１を介してパワーモジュールＰに流入する電流Ｉ１を検出し、その検出値を示す信号φＩ１を制御回路１４に与える。電流検出器１２は「第１の電流検出器」の一実施例に対応する。制御回路１４は「第１の制御回路」の一実施例に対応する。
　コンバータ４は、制御回路１４によって制御され、商用交流電源３０から交流電力が正常に供給されている場合（商用交流電源３０の健全時）には、商用交流電源３０から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ライン６に出力する。商用交流電源３０からの交流電力の供給が停止された場合（商用交流電源３０の停電時）には、コンバータ４の運転は停止される。
　直流ライン６は、コンバータ４、双方向チョッパ７およびインバータ８に接続される。直流ライン６に現れる直流電圧ＶＤは、制御回路１４によって検出される。制御回路１４は、商用交流電源３０の健全時には、コンバータ４から出力される直流電圧ＶＤが参照直流電圧ＶＤｒになるようにコンバータ４を制御する。
　コンデンサ５は、直流ライン６に接続され、直流ライン６の直流電圧ＶＤを平滑化および安定化させる。抵抗素子は、コンデンサ５に並列接続される。抵抗素子は、パワーモジュールＰが故障した場合に直流電圧ＶＤを低下させ、無停電電源装置１００の使用者を保護するために設けられている。抵抗素子の抵抗値は、コンバータ４の運転が停止された場合に、コンデンサ５の端子間電圧ＶＤを短時間で０Ｖに低下させることが可能な値に設定されている。
　双方向チョッパ７の高電圧側ノードは直流ライン６に接続され、その低電圧側ノードはスイッチＳ２を介してバッテリ端子Ｔ２に接続されている。双方向チョッパ７は、制御回路１４によって制御される。双方向チョッパ７は、商用交流電源３０の健全時には、コンバータ４によって生成された直流電力をバッテリ３２に蓄える。双方向チョッパ７は、商用交流電源３０の停電時には、バッテリ３２の直流電力をインバータ８に供給する。スイッチＳ２は、パワーモジュールＰの使用時にオンされ、例えばバッテリ３２のメンテナンス時にオフされる。
　制御回路１４は、通信線１５を介して、制御回路２８からバッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号を受ける。制御回路１４は、商用交流電源３０の健全時には、バッテリ電圧ＶＢが参照バッテリ電圧ＶＢｒになるように双方向チョッパ７を制御する。制御回路１４は、商用交流電源３０の停電時には、直流ライン６の直流電圧ＶＤが参照直流電圧ＶＤｒになるように双方向チョッパ７を制御する。
　インバータ８は、制御回路１４によって制御され、商用交流電源３０の健全時には、コンバータ４によって生成された直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。インバータ８は、商用交流電源３０の停電時には、バッテリ３２から双方向チョッパ７を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。
　リアクトル９の第１端子はインバータ８の出力ノードに接続され、第２端子はスイッチＳ３を介して出力端子Ｔ３に接続される。コンデンサ１０は、リアクトル９の第２端子に接続される。コンデンサ１０およびリアクトル９は、交流フィルタ１１を構成する。
　交流フィルタ１１は、低域通過フィルタであり、インバータ８から負荷３１側に商用周波数の交流電流を流し、インバータ８で発生するスイッチング周波数の信号が負荷３１側に通過することを防止する。換言すると、交流フィルタ１１は、インバータ８から出力される矩形波状の電圧を正弦波状の電圧に変換する。
　電流検出器１３は、パワーモジュールＰから負荷３１に流れる電流（インバータ８の出力電流）Ｉ２を検出し、その検出値を示す信号φＩ２を制御回路１４に与える。電流検出器１３は「第２の電流検出器」の一実施例に対応する。
　スイッチＳ３は、制御回路１４によって制御される。制御回路１４は、対応するパワーモジュールＰを運転状態にする場合にはスイッチＳ３をオンし、対応するパワーモジュールＰを停止状態にする場合にはスイッチＳ３をオフする。
　制御回路１４は、例えば、マイクロコンピュータなどで構成することが可能である。一例として、制御回路１４は、図示しないメモリおよびＣＰＵを内蔵し、予めメモリに格納されたプログラムをＣＰＵが実行するソフトウェア処理によって、後述する制御動作を実行することができる。あるいは、当該制御動作の一部または全部について、ソフトウェア処理に代えて、内蔵された専用の電子回路などを用いたハードウェア処理によって実現することも可能である。
　制御回路１４は、他の各パワーモジュールＰの制御回路１４およびバイパスモジュールＢ０の制御回路２８と通信線１５によって互いに接続されており、他の各パワーモジュールＰの制御回路１４およびバイパスモジュールＢ０の制御回路２８と情報の授受を行う。複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎに含まれる複数の制御回路１４および制御回路２８は、無停電電源装置１００を制御する１つの制御装置を構成する。以下の説明では、各制御回路１４から見て当該制御回路１４が属するパワーモジュールＰを「自装置」と称し、各制御回路１４から見て当該制御回路１４が属さないパワーモジュールＰを「他装置」と称する場合がある。
　各パワーモジュールＰにおいて、制御回路１４は、制御回路２８から、通信線１５を介して、交流電圧ＶＩ、バッテリ電圧ＶＢおよび交流電圧ＶＯの検出値を示す信号を受信する。制御回路１４は、これらの受信した信号、電流検出器１２，１３の出力信号φＩ１，φＩ２および直流電圧ＶＤの検出値などに基づいて、対応するパワーモジュールＰを制御する。
　具体的には、制御回路１４は、交流電圧ＶＩの検出値を示す信号に基づいて、商用交流電源３０が健全であるか商用交流電源３０の停電が発生したかを判定する。商用交流電源３０の健全時には、制御回路１４は、交流電圧ＶＩ，ＶＯの検出値を示す信号および直流電圧ＶＤの検出値に基づいて、交流電圧ＶＩに同期してコンバータ４およびインバータ８を制御する。また、制御回路１４は、バッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号に基づいて、双方向チョッパ７を制御する。
　一方、商用交流電源３０の停電時には、制御回路１４は、交流電圧ＶＯの検出値を示す信号、バッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号および直流電圧ＶＤの検出値などに基づいて、インバータ８および双方向チョッパ７を制御する。
　図２に示すように、本実施の形態に係る無停電電源装置１００において、各パワーモジュールＰの入力端子Ｔ１に供給される交流電圧ＶＩ、バッテリ端子Ｔ２に与えられるバッテリ電圧ＶＢ、および出力端子Ｔ３に現れる交流電圧ＶＯの瞬時値は、バイパスモジュールＢ０に設置された電圧検出器２２，２４，２６によってそれぞれ検出される。バイパスモジュールＢ０の制御回路２８は、交流電圧ＶＩ，ＶＯおよびバッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号を、通信線１５を介して、各パワーモジュールＰの制御回路１４に送信する。各パワーモジュールＰの制御回路１４は、受信した信号に基づいて自装置を制御する。
　すなわち、電圧検出器２２，２４，２６は、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎの間で共有される。このようにすると、パワーモジュールＰごとに設置される電圧検出器の個数を減らすことができるため、パワーモジュールＰの体格およびコストを低減できる。その結果、無停電電源装置１００の小型化および低コスト化を実現することができる。
　なお、上記構成において、各パワーモジュールＰの直流ライン６に現れる直流電圧ＶＤを検出するための電圧検出器は、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎ間で共有されず、パワーモジュールＰごとに設置される。これは、無停電電源装置１００による給電を継続した状態でパワーモジュールＰの交換を可能とするホットスワップを実現するためである。
　詳細には、パワーモジュールＰの交換時には、他のパワーモジュールＰを運転状態に保ちながら、当該パワーモジュールＰの運転を停止させる。このとき、当該パワーモジュールＰでは、コンバータ４の運転を停止することによって直流電圧ＶＤを０Ｖに低下させる。そのため、当該パワーモジュールＰにおける直流電圧ＶＤは、運転状態の他のパワーモジュールＰにおける直流電圧ＶＤとは異なる値となる。このように、パワーモジュールＰごとに直流電圧ＶＤが変化することから、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎの間で直流電圧ＶＤを検出するための電圧検出器を共有しないこととする。
　図３は、制御回路２８および制御回路１４の機能構成を概略的に示す図である。
　図３に示すように、制御回路２８は、制御部５０および通信部５２を有する。通信部５２は、通信線１５によって、パワーモジュールＰ１～Ｐｎの制御回路１４に接続されている。
　制御部５０は、電圧検出器２２，２４，２６の検出値を示す信号を通信部５２を介してパワーモジュールＰ１～Ｐｎの制御回路１４に送信する。制御部５０は、通信部５２を介して各パワーモジュールＰ１～Ｐｎの制御回路１４から、自装置の故障を示す故障検出信号および、負荷３１に電力を供給するために少なくとも必要なパワーモジュールＰの下限運転台数Ｎｍｉｎを示す信号を受信する。
　制御部５０は、インバータ給電モード時にはスイッチ２０をオフし、バイパス給電モード時にはスイッチ２０をオンする。なお、無停電電源装置１００の使用者は、図示しない操作部を操作することにより、バイパス給電モードおよびインバータ給電モードのうちのいずれか一方のモードを選択することができる。
　ただし、インバータ給電モード中に、少なくとも１台のパワーモジュールＰが故障したことにより、運転可能なパワーモジュールＰの台数が下限運転台数Ｎｍｉｎを下回った場合には、制御部５０は、スイッチ２０をオンし、商用交流電源３０からの交流電力を負荷３１に供給する。
　制御回路１４は、演算部４０、判別部４１、記憶部４２、検出部４３、通信部４４および制御部４５を有する。演算部４０は、自装置の電流検出器１３の出力信号φＩ２を通信部４４および通信線１５を介して、（ｎ－１）台の他装置の制御回路１４に送信する。演算部４０は、通信部４４を介して、（ｎ－１）台の他装置の電流検出器１３の出力信号φＩ２を受信する。演算部４０は、ｎ個の電流検出器１３の出力信号φＩ２に基づいて、パワーモジュールＰの現在の運転台数Ｎを求め、求めた運転台数Ｎを判別部４１に与える。
　また、演算部４０は、ｎ台の電流検出器１３の出力信号φＩ２に基づいて、ｎ台のパワーモジュールＰ１～Ｐｎのインバータ８の出力電流の合計値、すなわち、パワーモジュールＰ１～Ｐｎから負荷３１に供給される負荷電流ＩＬを求める。演算部４０は、負荷電流ＩＬを供給するために少なくとも必要なパワーモジュールＰの下限運転台数Ｎｍｉｎを求める。演算部４０は、求めた下限運転台数Ｎｍｉｎに冗長運転台数Ｎｒ（例えば１台）を加算することにより、適正運転台数Ｎｓを求める。演算部４０は、求めた適正運転台数Ｎｓを判別部４１に与える。
　このように下限運転台数Ｎｍｉｎに冗長運転台数Ｎｒを加算した適正運転台数ＮｓのパワーモジュールＰを運転することにより、１台のパワーモジュールＰが故障した場合に、下限運転台数ＮｍｉｎのパワーモジュールＰによって負荷３１への給電を継続した状態で、故障したパワーモジュールＰを交換することができる。
　記憶部４２には、パワーモジュールＰ１～Ｐｎが運転状態になる優先順位が格納されている。優先順位は、例えば、パワーモジュールＰの番号順に設定される。優先順位は、無停電電源装置１００の使用者が操作部を操作することにより、記憶部４２に書き込むことができる。
　検出部４３は、自装置の故障の有無を検出し、自装置が故障した場合には、故障検出信号を出力する。
　判別部４１は、演算部４０によって求められた現在の運転台数Ｎおよび適正運転台数Ｎｓと、検出部４３からの故障検出信号と、記憶部４２に格納された運転の優先順位とに基づいて、自装置を運転状態にするか停止状態にするかを判別し、その判別結果を示す信号を制御部４５に与える。また、判別部４１は、判別結果を示す信号および故障検出信号を、通信部４４を介して、他装置の制御回路１４およびバイパスモジュールＢ０の制御回路２８に送信する。
　判別部４１は、自装置の検出部４３から故障検出信号が出力された場合には、自装置を停止状態にするべきであると判別する。また、判別部４１は、現在の運転台数Ｎが適正運転台数Ｎｓより大きい場合には、運転台数Ｎを減少させるべきであると判別する。この場合、判別部４１は、自装置の優先順位に基づいて、自装置を停止状態にするか運転状態にするかを判別する。一方、現在の運転台数Ｎが適正運転台数Ｎｓより小さい場合には、判別部４１は、運転台数Ｎを増加させるべきであると判別する。この場合、判別部４１は、自装置の優先順位に基づいて、自装置を運転状態にするか停止状態にするかを判別する。
　通信部４４は、バイパスモジュールＢ０の制御回路２８から受信した、交流電圧ＶＩ，ＶＯおよびバッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号を制御部４５に与える。
　電圧検出器１６は、直流ライン６の直流電圧ＶＤを検出し、その検出値を示す信号を制御部４５に与える。電圧検出器１６は「第４の電圧検出器」の一実施例に対応する。
　制御部４５は、判別部４１によって自装置を停止状態にすると判別された場合には、自装置のコンバータ４、インバータ８および双方向チョッパ７の運転を停止し、スイッチＳ３をオフさせる。
　一方、制御部４５は、判別部４１によって自装置を運転状態にすると判別された場合には、自装置のコンバータ４、インバータ８および双方向チョッパ７を運転するとともに、スイッチＳ３をオンさせる。このとき、制御部４５は、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＩの検出値を示す信号，電圧検出器１６の出力信号および電流検出器１２の出力信号φＩ１に基づいて、コンバータ４から出力される直流電圧ＶＤが参照直流電圧ＶＤｒになるように、コンバータ４を制御する。また、制御部４５は、通信部４５から与えられる交流電圧ＶＩ，ＶＯの検出値を示す信号および電流検出器１３の出力信号φＩ２に基づいて、商用交流電源３０からの交流電圧ＶＩに同期してインバータ８を制御し、商用周波数の交流電圧ＶＯを生成する。さらに、制御部４５は、通信部４４から与えられるバッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号に基づいて、バッテリ電圧ＶＢが参照バッテリ電圧ＶＢｒになるように、双方向チョッパ７を制御する。
　また、制御部４５は、パワーモジュールＰ１～Ｐｎの電流検出器１３の出力信号φＩ２に基づいて、無停電電源装置１００の現在の運転台数Ｎと、パワーモジュールＰ１～Ｐｎのインバータ８の出力電流の合計値すなわち負荷電流ＩＬを求める。そして、制御部４５は、自装置の分担電流ＩＤ＝ＩＬ／Ｎを求め、インバータ８の出力電流Ｉ２が分担電流ＩＤになるように、自装置のコンバータ４およびインバータ８を制御する。
　また、制御部４５は、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＩの検出値を示す信号に基づいて、商用交流電源３０から交流電圧ＶＩが正常に供給されているか否かを判別する。制御部４５は、交流電圧ＶＩが下限値よりも小さい場合には、交流電圧ＶＩが正常に供給されておらず、停電が発生したと判別し、コンバータ４の運転を停止する。さらに、制御部４５は、通信部４４から与えられるバッテリ電圧ＶＢの検出値を示す信号に基づいて、バッテリ３２の直流電力が下限値よりも減少したか否かを判別する。バッテリ３２の直流電力が下限値よりも減少したと判別された場合、制御部４５は、インバータ８の運転を停止するとともに、スイッチＳ３をオフする。
　なお、商用交流電源３０から交流電圧ＶＩが正常に供給されているか否かの判別、および、バッテリ３２の直流電力が下限値よりも減少したか否かの判別については、バイパスモジュールＢ０の制御回路２８が電圧検出器２２の出力信号に基づいて実行し、その判別結果を示す信号を通信線１５を介して、各パワーモジュールＰの制御回路１４に送信する構成としてもよい。
　図４は、図３に示した制御部４５の機能ブロック図である。
　図４に示すように、制御部４５は、コンバータ４を制御するためのコンバータ制御部と、インバータ８を制御するためのインバータ制御部とを有する。
　コンバータ制御部は、減算器６０，６４と、電圧制御部６２と、電流制御部６６と、加算器６８と、ＰＷＭ回路７０とを含む。減算器６０は、参照直流電圧ＶＤｒと、電圧検出器１６による直流電圧ＶＤの検出値との偏差ΔＶＤを算出する。電圧制御部６２は、偏差ΔＶＤが０となるように、コンバータ４に流入する電流Ｉ１を制御するための電流指令値Ｉ１＊を算出する。電圧制御部６２は、例えば、偏差ΔＶＤを比例演算または比例積分演算することにより、電流指令値Ｉ１＊を算出する。
　減算器６４は、電流指令値Ｉ１＊と、電流検出器１２による電流Ｉ１の検出値との偏差ΔＩ１を算出する。電流制御部６６は、偏差ΔＩ１が０となるようにリアクトル２に印加すべき電圧として、電圧指令値ＶＩ♯を算出する。電流制御部６６は、例えば、偏差ΔＩ１を比例演算または比例積分演算することにより、電圧指令値ＶＩ♯を算出する。
　加算器６８は、電圧指令値ＶＩ♯と、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＩの検出値とを加算して電圧指令値ＶＩ＊を生成する。ＰＷＭ回路７０は、電圧指令値ＶＩ＊に基づいて、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＩの検出値を電圧指令値ＶＩ＊に等しくするための信号を出力する。この信号は、コンバータ４に含まれる半導体スイッチング素子を駆動するための信号である。
　インバータ制御部は、減算器７２，７６と、電圧制御部７４と、電流制御部７８と、ＰＷＭ回路８０とを含む。減算器７２は、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＩの検出値と、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＯの検出値との偏差ΔＶＯを算出する。電圧制御部７４は、偏差ΔＶＯが０となるように、インバータ８の出力電流Ｉ２を制御するための電流指令値Ｉ２♯を算出する。電圧制御部７４は、電流指令値Ｉ２♯と自装置の分担電流ＩＤとに基づいて、電流指令値Ｉ２＊を生成する。
　減算器７６は、電流指令値Ｉ２＊と、電流検出器１３による電流Ｉ２の検出値との偏差ΔＩ２を算出する。電流制御部７８は、偏差ΔＩ２が０となるようにインバータ８が出力すべき電圧として、電圧指令値ＶＯ＊を算出する。電流制御部７８は、例えば、偏差ΔＩ２を比例演算または比例積分演算することにより、電圧指令値ＶＯ＊を算出する。
　ＰＷＭ回路８０は、電圧指令値ＶＯ＊に基づいて、通信部４４から与えられる交流電圧ＶＯの検出値を電圧指令値ＶＯ＊に等しくするための信号を出力する。この信号は、インバータ８に含まれる半導体スイッチング素子を駆動するための信号である。
　以上説明したように、本実施の形態に係る無停電電源装置１００は、モジュラー型無停電電源装置であって、商用交流電源３０と負荷３１との間に並列接続される複数のパワーモジュールＰ１～ＰｎおよびバイパスモジュールＢ０を備える。バイパスモジュールＢ０は、各パワーモジュールＰの入力端子Ｔ１に印加される交流電圧ＶＩ、バッテリ端子Ｔ２に印加されるバッテリ電圧ＶＢおよび出力端子Ｔ３に出力される交流電圧ＶＯをそれぞれ検出するための電圧検出器２２，２４，２６を有している。バイパスモジュールＢ０の制御回路２８は、通信線１５を介して、電圧検出器２２，２４，２６の検出値を示す信号を各パワーモジュールＰの制御回路１４に送信する。
　このように各パワーモジュールＰに含まれるコンバータ４、インバータ８および双方向チョッパ７を制御するために必要な電圧を検出するための電圧検出器２２，２４，２６をバイパスモジュールＢ０に設置し、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎの間で電圧検出器２２，２４，２６を共有する構成とすることにより、パワーモジュールＰごとに設置される電圧検出器の個数を減らすことができるため、パワーモジュールＰの体格およびコストを低減することができる。よって、無停電電源装置１００の小型化および低コスト化を実現することができる。
　さらに、上記構成によれば、各パワーモジュールＰの制御回路１４は、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎの間で共通の電圧検出値を用いてコンバータ４、双方向チョッパ７およびインバータ８を制御するため、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎ間で動作がばらつくことを抑制することができる。例えば、複数のパワーモジュールＰのインバータ８の出力電圧ＶＯがばらつくことによって、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎの出力端子Ｔ３間に横流が発生することを抑制することができる。
　なお、上記構成において、各パワーモジュールＰの直流ライン６に現れる直流電圧ＶＤを検出するための電圧検出器１６は、複数のパワーモジュールＰ１～Ｐｎ間で共有されず、パワーモジュールＰごとに設置される。このため、無停電電源装置１００による給電を継続した状態でパワーモジュールＰの交換を可能とするホットスワップを実現できる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　４　コンバータ、１，５，１０　コンデンサ、２，９　リアクトル、３，１１　交流フィルタ、６　直流ライン、７　双方向チョッパ、８　インバータ、１２，１３　電流検出器、１４，２８　制御回路、１５　通信線、１６，２２，２４，２６　電圧検出器、２０，Ｓ１～Ｓ３　スイッチ、３０　商用交流電源、３１　負荷、３２　バッテリ（電力貯蔵装置）、４０　演算部、４１　判別部、４２　記憶部、４３　検出部、４４，５２　通信部、４５，５０　制御部、６０，６４，７２，７６　減算器、６２，７４　電圧制御部、６６，７８　電流制御部、６８　加算器、７０，８０　ＰＷＭ回路、１００　無停電電源装置、Ｂ０　バイパスモジュール、Ｐ１～Ｐｎ，Ｐ　パワーモジュール、Ｔ１，Ｔ１１　入力端子、Ｔ２，Ｔ１２　バッテリ端子、Ｔ３，Ｔ１３　出力端子。

Claims (4)

  1. 　交流電源と負荷との間に並列接続される複数の電力変換モジュールと、
    　前記交流電源と前記負荷との間に接続されるバイパスモジュールとを備え、
    　前記複数の電力変換モジュールは、電力貯蔵装置に対して並列接続され、
    　各電力変換モジュールは、
    　前記交流電源から交流電力を受ける第１の端子と、
    　前記電力貯蔵装置に接続される第２の端子と、
    　前記負荷に交流電力を出力するための第３の端子と、
    　前記第１の端子が受ける交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
    　前記コンバータまたは前記電力貯蔵装置からの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータと、
    　前記コンバータおよび前記インバータを制御する第１の制御回路とを含み、
    　前記バイパスモジュールは、
    　前記交流電源と前記負荷との間に接続される第１のスイッチと、
    　前記第１の端子に印加される交流電圧を検出する第１の電圧検出器と、
    　前記第２の端子に印加される直流電圧を検出する第２の電圧検出器と、
    　前記第３の端子に印加される交流電圧を検出する第３の電圧検出器と、
    　前記第１のスイッチのオンオフを制御する第２の制御回路とを含み、
    　前記第２の制御回路は、前記第１の制御回路と通信接続されており、前記第１から第３の電圧検出器の検出結果を前記第１の制御回路に送信し、
    　前記第１の制御回路は、前記第２の制御回路から送信される前記第１から第３の電圧検出器の検出結果を用いて、前記コンバータおよび前記インバータを制御する、無停電電源装置。
  2. 　前記各電力変換モジュールは、
    　前記コンバータおよび前記インバータに接続される直流ラインの直流電圧を検出する第４の電圧検出器と、
    　前記コンバータへの入力電流を検出する第１の電流検出器と、
    　前記インバータの出力電流を検出する第２の電流検出器とをさらに含み、
    　前記第１の制御回路は、前記第２の制御回路から送信される前記第１から第３の電圧検出器の検出結果と、前記第４の電圧検出器の検出結果と、前記第１および第２の電流検出器の検出結果とを用いて、前記コンバータおよび前記インバータを制御する、請求項１に記載の無停電電源装置。
  3. 　前記各電力変換モジュールは、前記電力貯蔵装置および前記直流ラインの間で直流電力を授受する双方向チョッパをさらに含み、
    　前記第１の制御回路は、前記第４の電圧検出器の検出結果と、前記第２の制御回路から送信される前記第２の電圧検出器の検出結果とを用いて、前記双方向チョッパを制御する、請求項２に記載の無停電電源装置。
  4. 　前記各電力変換モジュールは、前記インバータと前記第３の端子との間に接続される第２のスイッチをさらに含み、
    　前記第１の制御回路は、対応する電力変換モジュールを停止状態とする場合には、前記コンバータおよび前記インバータの運転を停止するとともに、前記第２のスイッチをオフする、請求項１から３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
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